Atmosphärische Verdunstung – ein Schlüssel zur Planetenentwicklung
Obwohl wir ständig mehr über die Prozesse erfahren, die zur Planetenentstehung führen, bleiben viele Aspekte im Dunkeln. Dies gilt insbesondere für Exoplaneten – Planeten, die um andere Sterne als die Sonne kreisen und die dem Anschein nach flüchtige Atmosphären besitzen. Ihre Nähe zu Sternen macht die oberen Atmosphären von Exoplaneten anfällig für Massenverluste durch erhitzungsbedingte Verdunstung. „Zu Beginn des Projekts wurde die atmosphärische Verdunstung fast ausschließlich für wasserstoff- und heliumreiche Hüllen verstanden, ohne Zugriff auf zuverlässige Modelle für stark bestrahlte oder von schweren Elementen dominierte Atmosphären“, erklärt James Owen, Koordinator des Projekts PEVAP, vom Imperial College(öffnet in neuem Fenster) of Science, Technology and Medicine im Vereinigten Königreich. „Uns fehlte also nicht nur eine vorhersagbare physikalische Theorie der Verdunstung, sondern auch eine Möglichkeit, mit ihrer Hilfe zu diagnostizieren, wie und wo Planeten entstanden sind. Das Projekt PEVAP wurde entwickelt, um genau diese Wissenslücken zu schließen.“
Verdunstungsmodelle der nächsten Generation
Um seine Ziele zu erreichen, brachte das vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) unterstützte Projekt PEVAP Fachwissen in den Bereichen planetarische Hydrodynamik, Strahlungstransport, stellare Hochenergieemission und Exoplaneten-Demographie zusammen, das am Imperial College konzentriert ist. „Auf methodischer Ebene entwickelten wir Verdunstungsmodelle der nächsten Generation“, sagt Owen. „Diese wurden dazu verwendet, um die gekoppelte Hydrodynamik, Thermodynamik und Chemie planetarischer Ausströmungen (das sogenannte atmosphärische Entweichen) zu lösen.“ Gleichzeitig verknüpfte das Projektteam diese Modelle mit planetarischen Analysen. Mithilfe umfangreicher evolutionärer Berechnungen sagte das Team voraus, wie die Verdunstung die Verteilung von Planeten beeinflussen könnte. „Dieser Ansatz ermöglichte es, die Verdunstung als aussagekräftiges Instrument zur Erforschung der Planetenentstehung zu verwenden“, erklärt Owen.
Diagnose vergangener atmosphärischer Entweichungen
Ein zentrales Ergebnis war der Nachweis, wie die Verdunstung die detaillierte Struktur der nahe gelegenen Exoplaneten-Population quantitativ erklären kann. „Wir haben gezeigt, dass die relative Anzahl von Supererden (Exoplaneten mit einer höheren Masse als die der Erde, aber deutlich niedriger als die von Neptun oder Uranus) reproduziert werden kann, wenn sich viele nahe gelegene Planeten mit bescheidenen Wasserstoff-/Helium-Hüllen um feste Kerne bilden“, bemerkt Owen. „Im weiteren Sinne haben wir die ersten verlässlichen Einschränkungen für die Geburtsverteilung der Kernmassen und Hüllenanteile von nahe gelegenen Planeten geliefert und dadurch eingegrenzt, wo sie ihr Gas akkretiert haben müssen und wie viel Migration möglich ist“, fügt Owen hinzu. „Zusammengenommen machen diese Erkenntnisse die beobachtete Exoplanetenpopulation zu einem kalibrierten Diagnoseinstrument für vergangenes atmosphärisches Entweichen.“
Zusammenhänge mit der planetaren Bewohnbarkeit erforschen
Das Projekt hat erfolgreich dazu beigetragen, die atmosphärische Verdunstung als Schlüsselinstrument für das Verständnis der Planetenentstehung zu begreifen. Außerdem konnte es zeigen, dass viele nahe gelegenen Supererden die abgestreiften Überreste einstiger Subneptun-ähnlicher Planeten sind. „Damit ist klar geworden, dass die vorherrschende Entstehungsart für nahe Planeten eher in einer mäßigen Gasakkretion mit anschließender starker Hochenergiestrahlung besteht als in der Bildung nackter Gesteinsplaneten in situ wie bei den terrestrischen Planeten des Sonnensystems“, sagt Owen. Ein wichtiger nächster Schritt wird die Verallgemeinerung des Verdunstungs-Inferenz-Rahmens auf ein breiteres Spektrum von interstellaren Objekten sein. „Die Ausweitung unserer Modelle auf Atmosphären, die von schweren Elementen dominiert werden und reich an Wasser sind, wird es uns ermöglichen, die anstehenden Daten vom James-Webb-Weltraumteleskop(öffnet in neuem Fenster) und vom Weltraumteleskop Ariel(öffnet in neuem Fenster) in einem physikalisch konsistenten evolutionären Kontext zu interpretieren“, so Owen. Darüber hinaus planen Owen und sein Team, verbesserte Verdunstungsmodelle mit Entstehungssimulationen zu kombinieren, um genauere Angaben darüber zu erhalten, wo sich Planeten im Verhältnis zu den Eislinien gebildet haben und wie viel Feststoff und Gas sie akkretiert haben. „Ein weiterer Ansatzpunkt ist die Erforschung von Zusammenhängen mit der planetaren Bewohnbarkeit“, fügt Owen hinzu. “Indem wir kartieren, wo die Verdunstung die primären Hüllen entfernt, sekundäre Atmosphären jedoch überdauern lässt, können wir Regime identifizieren, die für gemäßigte, potenziell felsige Welten günstig sind.“
